复杂形态溶洞精细化表征及其对盾构隧道施工围岩稳定性的影响研究

发布时间：2020-09-09 14:06

　　 近年来,随着城市建设的快速发展,城市人口的不断增长,“城市病”问题日益突出,其中,交通拥堵已成为我国大部分城市面临的主要问题之一。为有效缓解地面交通压力,改善城市交通环境,我国城市建设方向开始逐步转向地下空间开发利用。地铁作为一种城市公共交通运输形式,可充分利用城市地下空间,提高城市空间资源利用效率,已经成为21世纪中国城市基础设施和交通运输的重要组成部分。由于我国城市地质条件复杂,大量地铁的修建难以避免穿越岩溶地层,岩溶区修建地铁面临诸多技术难题,若处治不当,极易引发岩溶塌陷、隧道突涌水等灾害,严重影响盾构隧道的安全施工和运营。本文以济南地铁盾构隧道工程为依托,综合采用地质调研、室内实验、数值计算、理论分析、模型试验和软件研发等手段,深入研究了泉域地层复杂形态溶洞精细化表征方法及其对盾构隧道施工围岩稳定性的影响,主要成果如下:(1)在系统调研泉域水文地质特征的基础上,揭示了泉域地层岩溶发育条件及作用反馈机制,总结归纳了直接型、间接型及承压型三种岩溶发育模式;统计分析了济南地铁沿线溶洞规模、充填类型、高程发育特征、溶洞与盾构隧道之间空间位置关系,为后续研究提供地质基础和指导。(2)针对激光在充水溶洞中衰减过快造成的探测距离有限难题,开展了复杂溶洞水环境下多波长激光定量衰减特性与最大探测距离试验研究,探究了不同波长和功率激光在多种溶洞水溶解介质及浑浊度下的衰减特性,并依据试验结果对探测激光进行了优化选型,形成了复杂形态溶洞精细化重构方法。(3)基于Geomagic点云处理平台,提出了溶洞模型点云最优化采样间距确定方法,并构建了 Geomagic-Comsol耦合数值模型接口,实现了复杂形态溶洞的稳定性数值分析,对比分析了简化溶洞模型和复杂形态溶洞模型的围岩受力性能。(4)针对溶洞几何形态的高度不规则性,提出了溶洞几何边界多层次数字化表征参数,第一层次包括整体形状系数(SF)、扁平度(AR)和似球度(SL);第二层次包括角状系数(AF)和凸度(CF),第三层次为边界轮廓线粗糙度(RF)。基于傅里叶离散变换原理,实现了溶洞几何波形从时域到频域的转变,并构建了傅里叶普适性形态表征因子,确定了不同序列傅里叶形态表征因子与三层次表征参数之间的响应关系,将复杂形态溶洞的数字化定量表征参数简化至两个:D2和D3,为后续力学性能与形态几何之间响应关系的建立提供了研究基础。(5)基于极限分析上限法,建立了溶洞位于隧道正前方、环向侧上方及环向侧下方任意位置的三维破坏模型,推导了对应工况的溶洞与隧道间临界安全距离计算公式,并分析了岩体力学参数、溶洞参数及几何约束参数对安全距离的影响规律;计算了“正直方位”的溶洞几何边界傅里叶形态表征因子,并通过优化二分法和岩体失稳判据,分别计算了对应工况的不规则溶洞与隧道间临界安全距离;分析了三种力学模型下临界安全距离与溶洞几何形态间的定量响应关系,建立了考虑溶洞形态影响效应的临界安全距离预测模型。(6)研制了富水岩溶地层盾构隧道施工围岩稳定性模型试验系统。复合式EPB盾构掘进试验机可通过更换刀盘,实现不同地层盾构施工过程模拟,掘进出土性能良好,盾构掘进试验机可根据模型箱体尺寸进行高度调整,具有多功能、智能化及重复利用率高等特点,更好的满足了城市地铁盾构法施工隧道相关的地质模型试验需求,基于上述模型试验系统,开展了复杂形态充水溶洞盾构近临施工围岩稳定性模型试验。验证了不规则溶洞临界安全距离预测模型的准确性,重点揭示了盾构掘进过程岩体结构的多物理场演化规律,并通过分析出土试样含水率对开挖面突涌水过程进行了状态判识;构建了不同掘进阶段的地表沉降三维模型,同时分析了不同盾构掘进阶段的地层损失参数。(7)开发了溶洞多参数表征与稳定性评判软件。软件可建立岩溶发育特征数据库,对整个工程区域岩溶发育特征进行统计分析;具备复杂形态溶洞二维及三维可视化功能,快速求解溶洞不规则形态的数字化表征参数,并进一步计算对应的临界安全距离数值,实现大批量溶洞处治与否的精细化评判;该软件系统可充分利用精细化探测成果和数据,提供针对性的安全处治参数和指导方案,实现处治效果的高度优化,并应用于济南地铁工程。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U455.43;U451.2
【部分图文】：

矛盾的有效途径［２］。目前，我国共有６３个城市己获得轨道交通规划批准，在实逡逑施的规划建设总里程达到７６１１公里，预计到２０２０年，我国轨道交通运营线路逡逑将达到１７７条，运营总里程超过６１００公里，如图１．１所示⑴。逡逑ＷＯＯ邋ｒ逦＾逡逑８０００邋＊邋■逡逑７０００邋？逦＿邋■逡逑图１．１我国轨道交通运营里程（单位：公里）逡逑Ｆｉｇ．１．１邋Ｍｉｌｅａｇｅ邋ｏｆ邋ｎｅｗ邋ｏｐｅｒａｔｉｎｇ邋ｒａｉｌ邋ｔｒａｎｓｉｔ邋ｌｉｎｅｓ邋ｅｖｅｒｙ邋ｙｅａｒ邋ｉｎ邋Ｃｈｉｎａ邋（ｕｎｉｔ：邋ｋｍ）逡逑由于我国幅员辽阔，城市地质条件极为复杂，轨道交通工程的大量修建面逡逑临着各种难题，尤其以富水岩溶地层为代表Ｗ。我国岩溶面积高达３６３万平方逡逑公里，约占我国国土面积的三分之一以上，因此，大量的轨道交通建设将难以逡逑避免穿越岩溶发育区Ｗ，如济南地铁需要穿越硬岩富水溶洞群、武汉地铁需穿越逡逑“蜂巢溶洞”、长沙地铁需穿越复杂水下溶洞区等。逡逑１逡逑

洞、溶腔、破碎带裂隙连成一体，承压水头高度逐渐增大至盾构隧道以上５ｍ处，逡逑且补给能力强。盾构机在全断面灰岩地层中掘进，区间盾构机开挖面发生突涌逡逑水，如图１．２所示，导致盾构机螺旋机无法实现理想栓塞状态，螺旋机卸料口处逡逑泥渣喷涌，清渣工作量大，消耗时间长，严重影响盾构隧道施工效率。与此同逡逑时，Ｒ２线任家庄－腊山区间、Ｒ３线奥体中心区间亦有大量溶洞发育，影响盾构逡逑隧道施工安全。更为重要的是，已规划修建的济南地铁Ｍ线将穿越泉水核心揭逡逑露区和泉水敏感区，地铁修建将面临着更加丰富和复杂的地下水系统，因此，逡逑如何在保护泉城地下水的前提下，有力的保障济南地铁盾构隧道安全施工，具逡逑有重要研宄意义。逡逑Ｐｉ＿逡逑卜邋ｍ邋〃逡逑图１．２济南轨道交通Ｒ１线隧道开挖面突涌水逡逑Ｆｉｇ．１．２邋Ｋａｒｓｔ邋ｗａｔｅｒ邋ｉｎｒｕｓｈ邋ｉｎ邋Ｊｉｎａｎ邋Ｍｅｔｒｏ邋Ｒ１逡逑２逡逑

２．１泉域地铁修建与泉水保护逡逑济南地区以泉水闻名于世，地下水网络复杂，泰山北麓由南向北倾斜的构逡逑造单元是泉水形成的重要地质背景。大气降雨渗入可溶性碳酸盐岩后，沿地形逡逑趋势由南向北径流，在单斜构造与北部平原交接地带富集，并出露地表，形成逡逑上升泉。岩溶发育区修建地铁极易导致地表沉降及塌陷、涌水、涌泥等灾害发逡逑生，在已运营和在建的地铁都市核心区快线（Ｒ线）中，岩溶穿越区发育有大量溶逡逑洞，且规划修建的中心城区普线（Ｍ线）将穿越泉水核心出露区和敏感区范围，逡逑如图２．１所示。核心出露区位于泉水敏感区之内，由趵突泉、五龙潭以及护城河逡逑组成，面积约２．６平方公里。泉水敏感区位于地垒之上，区域范围为经十路以逡逑北，大明湖路以南，顺河高架以东，历山路以西，区域面积约６．８平方公里。泉逡逑水敏感区集中出露大量泉眼，灰岩顶板及岩溶水位埋深较浅，岩溶水量巨大，逡逑属强富水区，并发育有大量溶洞，岩浆岩风化裂隙和构造裂隙发育，考虑到泉逡逑域地下水的复杂性及“保泉”的重要性，将为泉域地铁的安全建设带来巨大挑逡逑战，且泉域富水地层修建轨道交通工程尚无成熟的经验可以借鉴。逡逑

本文编号：2815069